Высокочастотный образцовый генератор-калибратор Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 194 1972

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ОБРАЗЦОВЫЙ ГЕНЕРАТОР-КАЛИБРАТОР

М. С. РОИТМАН, Э. И. ЦИМБАЛИСТ, Ю. М. ФОМИЧЕВ

(Представлена научно-техническим семинаром кафедры радиотехники)

Поверка цифровых измерительных приборов, погрешность измерения которых на переменном токе составляет 0,2^-0,5%, требует поверочной аппаратуры с основной погрешностью не более 0,05%. Используемая аппаратура, предназначенная для 'поверки и калибровки электронных вольтметров, такая как В 1-2—В 1-4 и др., в ряде случаев уже исчерпала свои возможности и не обеспечивает необходимой точности.

При создании новой поверочной установки необходимо решить следующие задачи:

1. Обеспечить повышение точности измерения переменного напряжения в диапазоне частот 100 кгц ч- 10 Мгц и до 5 ■ 10 "4 — 5 • 10" 3%.

2. Разработать амплитудно-стабильные генераторы с кратковременной нестабильностью около +0,01% за 1—3 мин и разрешающей способностью установки выходного напряжения около 0,05%.

3. Обеспечить снижение коэффициента нелинейных искажений выходного напряжения генератора (Яг^О,! -г- 0,2.% в указанном диапазоне частот).

Описываемый в ¡настоящей работе образцовый исто-ч-ник переменного напряжения в значительной степени удовлетворяет поставленным задачам.

Обычно задача получения стабильного выходного напряжения генератора и его калибровка разделяются. В генераторе проводятся различные схемные решения по повышению стабильности выходного напряжения (линейные и нелинейные обратные связи, автоматическая регулировка усиления и т. д.), а затем с помощью компаратора производится калибровка этого напряжения. Такое решение задачи увеличивает нестабильность калиброванного напряжения, так как в нее входит как нестабильность компаратора, так и нестабильность генератора. Указанные недостатки устраняются, если функции стабилизации и калибровки напряжения генератора совместить. Функциональная схема такого генератора-калибратора приведена на рис. 1.

Выходное напряжение с задающего генератора 1, управляемый делитель 2, через избирательный усилитель 3 и усилитель мощности 4 подается на вход дифференциального компаратора 5, на который также поступает постоянное напряжение с опорного источника 6 и переменное с вспомогательного источника 7. С помощью дифференциального компаратора производится точное сравнение действующего значения выходного напряжения генератора с эталонным постоянным напряжением.

Рис. 1

В случае отклонения выходного напряжения от установленной ве~: личины (значение отклонения фиксируется индикатором 9) на выходе компаратора появится сигнал рассогласования, который через усилитель 8 воздействует на управляемый делитель 2 и выбирает возникшее отклонение.

Величина опорного напряжения устанавливается с помощью упрощенного потенциометра 10.

Оценка качественных показателей генератора

1. Нестабильность выходного напряжения. Оценка величины нестабильности выходного напряжения генератора ГК-5 проведена на основе рассмотрения его развернутой функциональной схемы (рис. 1). Суммарная нестабильность амплитуды напряжения 112 равна

* 1 2т:

4л 1 / Ш\

и2 йсДЛ /,,

(^ИЛ —относительные нестабильности узлов и элементов схемы,

и],

С; — коэффициенты амплитудной стабилизации, показывающие, во сколько раз относительные изменения амплитуды стабилизируемого напряжения меньше, чем вызывающие их относительные нестабильности.

Определим значение коэффициентов стабилизации напряжения и2? 'первоначально разомкнув систему автоматического регулирования

в точках 1 — 1, задавшись произвольным значением -- на входе

фотоэлектрического преобразователя (ФП3), включенного в цепь 'переменного тока. Тогда, обходя систему по контуру, получим

¿¿лз __ Ли

/л3 а.2 £/,

. (1)

(2)

и0 и, й2 и2

<И?Фьа = а1-с1,-с1,-К1уК1и2-К2 с1Ц2

и б ¿2

(3)

(4)

К,/ 2

¿их _ йКч

= (5)

(6)

Г —

(Шх 1\ <1К„ К

¿и2\иг аи2!и

~ (1 - к9) [(± _ (+ ^Ка)].. (7)

"2 и6

В "выражениях (1) —(7) введены следующие обозначения:

Рис. 3.

относительные коэффициенты передачи по току ФП,, ФП ФП3 соответственно:

2»

й, =

£?ф3-/?ф4

(КфЗ +

¿/2 = П-д

(1л —

Я

1

П 1,2

постоянные

коэффициенты, характеризующие режимы работы ФП;

—статическое сопротивление лампы накаливания ФП в рабочей точке;

пи я2, ^з — постоянные коэффициенты, характеризующие степень нелинейности характеристик ламп ФП;

дг2 — коэффициент передачи усилителя цепи обратной связи.

Используя выражения (1) — (6) или аналогичные им, совместно с (7) определим коэффициенты амплитудной стабилизации Сь (таблица).

Таблица

№ п.п. Коэф. стаб. Формулы Численные значения составл. Вели-ч и н а

1 2 3 4 5

1 Сг й. ах = з, а* = 4 9 4

см с2 Кьъ • • ^ = 3, £/2 = 4, ¿/5 = 3 = 5, К и — 5 9 4

3 С3 ¿1 ±~ > 15 ±7

4 С4 сЬ = 4 — 1

о о

О 1 ¿

Продолжение таблицы

1 2 3 5 4

5 с5 Us dl-â3-Kiz U3 do 1 £/*= 10 ß, i/3=l j«, ¿3= J 103

6 сб Us dx drKi3 Vz d2 103

7 С7 U8 K2-Ki3-drd3 U'z d.2 Ae2 =12, f/'s = 4 28

8 С8 Un K^-fCis-di-d^-d^ ± Щ d2 28

9 С9 a, KÎ i,2 = 5, An = 5 60

10 С10 di • d> • Ki з • K, C№-C„-(l-Kq) 13 "X d-2 A', = ~ , - 2, Us = 10 1 A/1 — 5, Kî2 — 5, 1 = 3, d, = 4, d3 = — 60

11 Си dU7 1 U7 = ~ 4 *т ат = àz 2,5%/10° С 0,6%

12 Ссх c dUi\U~ CT dU2IU.2(r.y.) dU2 n -0,01% 60

Анализ коэффициентов стабилизации показывает, что основная нестабильность выходного напряжения будет складываться из следующих составляющих:

= d1 (dR^z ¿ИфЛ , 1 dUо

^лЗ ^2 С3 ^ /?ф3 ^ф4 С4 i/0

Пользуясь данными таблицы, получим

^2 rJ 15 \ /?фз /?ф4/ i/0"

Из 'последнего уравнения нетрудно заметить, что при совершенно идентичных характеристиках нестабильностей элементов ФП3 и ФП4 дифференциального компаратора нестабильность выходного напряжения равна нестабильности опорного источника постоянного тока. В связи с этим производится подбор постоянных ламп накаливания и фотосопротивлений. В опорном источнике применяется кремниевый стабилитрон Д 818 Е с ТКН-10-3% град.

2. Погрешность установки номинального значения выходного напряжения. Погрешность установки величины переменного напряжения с помощью компаратора можно представить выражением

ГДе Ти ~ Тou Т/и + Tai

To« —погрешность изменения постоянного напряжения, обусловленная (погрешностью компенсатора и нечувствительностью нулевого указателя компаратора,

7/« частотная погрешность компарирования, 7а — погрешность из-за асимметрии.

Снижение точности может возникнуть и за счет нестабильности элементов компаратора и других факторов. Появление частотной погрешности на высоких частотах обусловлено наличием реактивности элементов компаратора. Величина частотной погрешности генератора, без учета погрешности за счет 'поверхностного эффекта (диаметр нити лампы ^ 5 (и/с), определяется выражением

Т/„ = 1 - — = 1--——'

V» ~Г

где

— модуль добавочного сопротивления в цепи лампочки с учетом шунтирующей емкости, определяемой суммой паразитных емкостей относительно земли;

/?з —величина этого сопротивления на постоянном токе;

1 л3—полное сопротивление нити лампы с учетом паразитных емкостей, шунтирующих нить;

— сопротивление нити переменному току без учета шунтирующих емкостей;

К лз — сопротивление нити лампы постоянному току.

В пределе, когда осуществляется работа ФП без добавочного сопротивления в цепи лампы (Яз = 0)у верхняя рабочая частота работы

преобразователя определится из

£ ,_

шв = —1 У 2 (Т/^ДОП*

Ь — индуктивность нити лампы, которая подсчитььвается по конструктивным данным лампы.

Погрешность из-за асимметрии [4] теоретически оценить трудно, однако экспериментально определено, что эта погрешность может быть меньше 0,01%. Для получения высокой точности установки выходного напряжения в генераторе 'предусмотрена балансировка компаратора по постоянному току. Этим исключается влияние долговременной нестабильности элементов компаратора.

Результаты испытаний генератора-калибратора ГК-5

1. Генератор имеет 10 фиксированных частот: 100, 200, 500 кгц; 1, 2, 3, 5, 7, 8, 10 Мгц.

2. Коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения в диапазоне частот 0,10%.

3. Нестабильность переменного напряжения генератора (при нагрузке его током 10 ма в диапазоне частот 100 кгц 10 Мгц не более 0,01% в мин и 0,03 0,05% — за 5—10 мин.

4. Значение выходного напряжения генератора 9 в (действующего значения) устанавливается с погрешностью + 0,05»% в диапазоне частот 100 кгц -г- 1 Мгц и не более ±0,5% — в остальном частотном диапазоне.

ЛИТЕРАТУРА

1. М. С. Р о н т м а н, В. К. Жуков. Применение фотосопротивлений для стабилизации напряжений. Автоматический контроль и методы электрических измерений. (Труды II конференции). Изд-во Сибирского отделения АН СССР, 1962.

2. «Новые научно-исследовательские работы по метрологии», № 4. (Электрические измерения). Изд-во стандартов. М., 1964.

3. А А. Л ь в о в и ч. Амплитудно-стабильные генераторы с АРУ. «Радиотехника», т. 15, № 4, 1960.

4. Т. Б. Рождественская. Электрические компараторы для точных измерений тока, напряжения и мощности. Изд-во стандартов, 1964.

Рис. 1. Принципиальная схема фазоиндикатора

ЗАМЕЧЕННЫЕ ОПЕЧАТКИ

Страница Строка Напечатано Следует читать

3* 3 18 сверху 7 снизу 10 Мгц и до 5-Ю-4— —5-10"3 % 2 10 Мгц до 5-1(Г~4— -5- Ю-3 3

3 7 снизу 3 2 '

.16 4 снизу Сборник трудов ТИРиЭТа (в печати ) Известия ТПИ, т. 171, 1968

30 5 сверху Т ПТ2

31 5 сверху гя =

34—35 во всех случаях д/ V . '